山区超高三塔斜拉桥结构设计探讨

Transportation Science & Technology

交通科技

Serial No. 282No. 3 Jun. 2017

DOI 10.3963/j. issn.1671-7570.2017.03.011

山区超高三塔斜拉桥结构设计探讨

陈应高

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550001)

摘要三塔斜拉桥结构体系刚度相对较弱，提高体系竖向刚度、控制拉索应力幅、满足索塔受力

要求是三塔斜拉桥结构设计的关键。以建设中的山区超高三塔结合梁斜拉桥为背景，运用空间有 限元方法进行全桥多方案对比，研究索塔刚度、塔-梁支承体系对山区超高三塔斜拉桥结构力学行 为的影响。结果表明，加大中塔刚度是提高三塔斜拉桥结构整体刚度的理想方式；边塔刚度对三 塔斜拉桥结构整体刚度的影响较小；中塔塔-梁铰接、边塔竖向支承的结构体系对减小活载作用下 的主梁挠度及温度作用下的塔底弯矩效果均较明显。关键词三塔斜拉桥超高塔斜拉桥结构设计

建设中的平塘大桥位于贵州省余庆至安龙高 速公路平塘至罗甸段、平塘县牙舟镇与通州镇之 间，横跨槽渡河峡谷。峡谷两岸地形起伏变化大，

最大相对高差接近600 m。平塘大桥主桥采用 249.5 m+550 m+550 m+249.5 m 三塔双索面

结合梁斜拉桥，桥梁全长2 135 m;平塘岸、罗甸

m，是一座山区大跨度超高塔三塔斜拉桥。主桥

孔跨布置见图1。

岸的边塔高度分别为320,98 m，中塔高度为328

图1 主桥立面布置图（单位：m)

1结构设计关键点分析

下塔柱高度。平塘大桥的三个主塔高度均接近或 超过300 m，三塔加上超高塔的特点使其结构体 系刚度进一步减弱，如何提高主梁竖向刚度、控制 斜拉索应力幅、满足索塔受力要求成为该桥结构 设计的关键。

1.2国内外多塔斜拉桥设计对策

3个（含）以上主塔的斜拉桥称为多塔斜拉 桥。国内外已建工程通过各种措施来解决多塔斜 拉桥体系刚度不足的问题:香港汀九大桥（27 m + 448 m+475 m+127 m，三塔结合梁斜拉桥）通 过在中塔塔顶增设倾斜拉索，控制塔顶水平变 位[1];希腊里翁桥（主跨3X560 m，四塔双索面结 合梁斜拉桥)桥塔采用纵、横桥向A字型，提高主

1.1山区超高三塔斜拉桥的受力特点

三塔斜拉桥的中塔两侧无辅助墩或过渡墩对 主梁及索塔提供较有效的位移约束，结构各响应 的活载影响线范围也随桥长增加而相应增大，因此 三塔斜拉桥的主梁挠度、斜拉索应力幅和塔底弯矩 等均比同等主跨跨度的双塔斜拉桥显著增大。

平塘大桥为主跨2 X 550 m的三塔双索面结 合梁斜拉桥，跨越贵州山区槽渡河深谷，最大下塔 柱高度达183 m，远高于常见跨江跨河斜拉桥的

收稿日期：

017-02-06

34陈应高：山区超高二塔斜拉桥结构设计探讨2017年第3期

塔刚度[2];我国湖北省夷陵长江大桥（主跨2X 348 m，三塔单索面预应力混凝土梁斜拉桥）主梁 采用混凝土梁，自重及斜拉索面积均较大，且在边 跨布设了辅助墩，获得了较大的体系刚度。从国内外研究成果来看，三塔斜拉桥提高结 构体系刚度主要是从辅助墩设置、拉索体系布置、 增大索塔刚度、优化塔梁支承体系等方面入手。 平塘大桥跨度大、桥塔高，有必要通过分析研究， 米取多种综合措施来有效地提高结构体系刚度， 保证桥梁安全。

1.3平塘大桥结构设计的研究重点

1) 关于辅助墩的设置。大量设计实践表明： 边跨设一个辅助墩后，塔顶的水平位移、主梁跨中 挠度、塔底弯矩和边跨主梁弯矩均会有较大幅度 降低[3_5]。平塘大桥边跨位于山地斜坡，地质条件 良好，不存在水下基础施工，设计采用在边跨设置 辅助墩的方案。综合以上分析，平塘大桥采用边跨设置辅助

2) 关于拉索体系布置:斜拉索总体布置有水 墩、斜拉索常规布置的结构形式，以下重点从提升 平加劲索、倾斜加劲索、交叉索、常规布置等几种 备选方案(见图2〜图5)。水平加劲索方案和倾 斜加劲索方案可改善结构体系刚度，但对桥梁景 观效果存在不利影响；交叉索布置方案可减小中 跨跨中附近的拉索应力幅和主梁挠度，但会使得 索-梁锚固构造复杂化。综合考虑景观要求及简 化索-梁锚固构造，平塘大桥采用常规斜拉索布置 方式，见图5。

2

索塔刚度研究

运用有限元软件RM Bridge建立全桥空间 有限元分析模型，研究索塔刚度对三塔斜拉桥结 构力学行为的影响。

2.1中塔刚度对三塔斜拉桥结构力学行为的影响 保持边塔、主梁、斜拉索的几何参数不变，调

整中塔的截面惯性矩(分别研究1/4、1、41 3种方 案），主梁跨中最大挠度及主塔塔底弯矩数值见表1。图6、图7为主梁挠跨比及塔底弯矩随中塔刚 度改变而变化的折线图。

表1

中跨主梁最大挠度/mm

中塔

惯性矩犐/4犐

最大 最小绝对

(向上）(向下）值和

挠跨比

边塔

活载

升温

降温

运营风

合计

活载

升温

索塔刚度、优化塔-梁支承体系两方面入手进行研究。

中塔刚度变化主梁挠度及主塔弯矩数值对比表

主塔弯矩/(X105 kN • m)

中塔降温

运营风

合计

4犐

627

4623188106505081 4371/382-8.541 1121/494-6.548261/665-5.465.44-5.66-15.415.37-5.59-10.465.34—5.55-7.95-29．61—5.05-22.59-12.07一 18.96一 18.010.20-0．21-15.06-20.320.27-0.28-21.73-34.080.13-0．13—25.96-44.10

0.25/ 1.0/ 4.0/ ♦ 1〇 0.25/ 1.0/ 4.0/

a

中塔刚度变化比值

)主梁烧跨比折线图

b

图6

中塔刚度变化

中塔刚度变化比值)塔底弯矩值折线图

2017年第3期陈应高：山区超高二塔斜拉桥结构设计探讨35

由表1及图6可见，随着中塔刚度的增大：中 跨主梁挠跨比减小；中塔弯矩相应增大;边塔的弯 矩相应减小(但减小幅度不及中塔弯矩增加幅度大）。

2.2边塔刚度对三塔斜拉桥结构力学行为的影响

表2

中跨主梁最大挠度/mm

中塔惯性矩

最大(向上)

绝对最小

(向下）值和

挠跨比

边塔

活载

升温

降温

维持中塔、主梁、斜拉索的几何参数不变，调 整2个边塔的截面惯性矩（分别研究1/4、1、41 3 种方案），主梁跨中挠度及主塔弯矩数值见表2。 图7为主梁挠跨比及塔底弯矩随边塔刚度改变而 变化的折线图。

主塔弯矩/(X105 kN • m)

中塔

运营风

合计

活载

升温

降温

运营风

合计

边塔刚度变化主梁刚度及主塔弯矩对比表

1/4

犐4犐

460

4624616486506501 1081/496-2.781.83-1．9-6.741 1121/494-6.545.37-5.59-10.461 1111/495-12.7811.84-12.32-15.14-11.42-12.32 0.14-0．15—26.12-38.59一22.59-12.07 0.27一0.28-21.73一 34.08-40.24-11.53 0.23-0.25-16.94-28.72

图7边塔刚度变化

由表2及图7可见，随着边塔刚度的增大，中 跨主梁挠跨比基本不变，边塔弯矩相应增大，中塔 弯矩相应减小（但减小幅度不及边塔弯矩增加幅 度大）。2.3小结

3支承体系比选

运用有限元软件RM Bridge建立全桥空间

有限元分析模型，研究塔-梁支承体系对三塔斜拉

桥结构力学行为的影响。

主要研究3种塔-梁支承体系，分别为：1) 随着中塔刚度增加：中塔弯矩增大，而边

体系1。3个塔与主梁之间均采用:塔-梁固接。 塔弯矩减小(但减小幅度不及中塔弯矩增加幅度

体系2。中塔处采用：塔-梁铰接；边塔处采 均释放）。

体系3。3个塔与主梁之间均采用：塔-梁竖 向支承(纵桥向位移及所有弯矩约束均释放）。

通过改变塔梁间的支承条件，研究结构在活 载及整体升降温作用下的力学行为差异。结果见表3〜表4。

2)

随着边塔刚度增加：边塔弯矩增大，而中 用：塔-梁竖向支承（纵桥向位移及所有弯矩约束

那么大），中跨主梁挠跨比明显减小。

塔弯矩减小(但减小幅度不及边塔弯矩增加幅度 那么大），中跨主梁挠跨比基本不变。

由此得出如下结论：1) 要的刚度。

2) 边塔刚度对结构整体刚度影响较小。

表3

支承

^体玄体系

加大中塔刚度是提高三塔斜拉桥结构整

体刚度的理想方式，三塔斜拉桥的中塔应具有必

不同支承体系活载位移及整体升降温位移对比表

全桥整体升降温位移

中塔塔顶位移左移

右移

主梁中跨最大挠度升温

降温

边塔塔顶位移升温

降温

mm

梁端水平位移升温

降温

活载位移

主梁中跨最大挠度上挠

下挠

边塔塔顶位移左移

右移

1体系2

体系体系3

278445632

455633798

4067259

126151342

251438337

252439340

-26-40-36

-495

-178-152-163

183157170

-222-230-238

218226234

36

表

支承体系体系1

活载弯矩

体系2体系3体系1

全桥整体 升降温弯矩

体系2体系3体系1

(活载+温度） 弯矩合计

体系2体系3

陈应高：山区超高三塔斜拉桥结构设计探讨 2017年第3期

X104kN • m

塔的弯矩

4

不同支承体系活载弯矩及整体升降温弯矩对比表

梁的弯矩

分项中跨跨中最大

最小

梁与边塔相交处最大

最小

梁与中塔相交处最大

最小

边塔塔底最大

最小

中塔塔底最大

最小

4. 034. 114 231. 250. 750. 735 284 864 96

-1. 75-1. 83-1. 93-1 12一 0. 63—0. 56—2 87—2 46—2 49

1 650 370 360 331 641 681 982 012 04

-4 64-3 22-3 21-0 51-1 96-2 00—5 15—5 18—5 21

2 331 700 401 591 641 673 923 342 07

-5 74-5 17-3 25-1 92-1 96-1 99—7 66—7 13—5 24

44 3036 2487 04239 7651 7154 32284 0687 95141 36

-54 09— 64. 85-115 83— 233. 92— 53. 81—56 52—288 01

43 59122 36152 520 072 441 4643 66

—44 79—124 15—153 81—0 07—2 58—1 57—44 86—126 73—155 38

—118 66124 80—172 35153 98

分析表3〜表4可知：1)

中塔塔底弯矩最有效；旦边塔在温度作用下的塔 底弯矩很大。

2) 3)

底弯矩最大；旦在温度作用下的塔底弯矩较小。温度作用下的塔底弯矩效果均较明显；且在活载 作用下的塔底弯矩较体系3小。

根据以上分析可知：体系1在温度作用下边 塔塔底弯矩很大;体系3在活载作用下的主梁挠 度很大;体系2对减小活载作用下的主梁挠度及 温度作用下的塔底弯矩效果均较明显，且在活载 作用下的塔底弯矩处于较合理范围。三塔斜拉桥 采用支承体系2 (中塔塔-梁铰接、边塔竖向支承) 较为合理。4

结论

1)加大中塔刚度是提高三塔斜拉桥结构整 体刚度的理想方式，三塔斜拉桥的中塔应具有必 要的刚度。

[2 ]

2) 3)

边塔刚度对三塔斜拉桥结构整体刚度中塔塔-梁铰接、边塔竖向支承的结构

体系1。对控制活载作用下的主梁挠度及 影响较小。

系对减小活载作用下的主梁挠度及温度作用下的

体系3。活载作用下的主梁挠度及中塔塔 塔底弯矩效果均较明显，是一种较为合理的三塔

斜拉桥塔-梁支承体系。

体系2。对减小活载作用下的主梁挠度及

参考文献

[1]

华有恒.试论香港汀九斜拉桥设计构思的特色和探 讨[J].桥梁建设，1997(3) :27-33.

董学武，周世忠.希腊里翁-安蒂里翁大桥的设计与 施工[].世界桥梁，2004(4)

1-4.

[]林元培.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社，2004. []刘杰，杨吉新，马璐珂，等.碳纤维索斜拉桥与钢索

斜拉桥地震响应比较分析[].武汉理工大学学报 (交通科学与工程版），2016,40(3)

462465471.

-,

[]潘路平，杨成斌，杨善红.辅助墩对PC三塔斜拉桥

受力影响分析[].工程与建设，2009 (3): 348350，

359.